Ein dreifarbiges Bild der Galaxie ESO 428-G14, aufgenommen mit dem James Webb Weltraumteleskop (Bildnachweis: NASA/ESA/JWST)
Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben Astronomen die Struktur von Staub und Gas um ein weit entferntes supermassereiches Schwarzes Loch abgebildet und dabei buchstäblich einen „Schock“ entdeckt.
Das Team entdeckte, dass die Energie, die diese wirbelnde Gas- und Staubwolke aufheizt, tatsächlich von Kollisionen mit Gasstrahlen stammt, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen, oder von „Schocks“. Bisher waren Wissenschaftler davon ausgegangen, dass die Energie, die diesen Staub aufheizt, von dem supermassiven Schwarzen Loch selbst stammt, was eine unerwartete Wendung darstellt.
Die galaktische Heimat dieses speziellen supermassiven Schwarzen Lochs ist ESO 428-G14, eine aktive Galaxie, die etwa 70 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Der Begriff „aktive Galaxie“ bedeutet, dass ESO 428-G14 eine zentrale Region oder einen „aktiven galaktischen Kern“ (AGN) besitzt, der aufgrund der Anwesenheit eines supermassiven Schwarzen Lochs, das sich gierig von der Materie in seiner Umgebung ernährt, ein starkes und intensives Licht im gesamten elektromagnetischen Spektrum aussendet.
Die Entdeckung des Schock-AGN wurde von Mitgliedern der Galactic Activity, Torus, and Outflow Survey (GATOS) Kollaboration gemacht, die spezielle JWST-Beobachtungen nutzen, um das Herz naher Galaxien zu untersuchen.
„Es wird viel darüber diskutiert, wie AGN Energie an ihre Umgebung abgeben“, sagte David Rosario, Mitglied des GATOS-Teams und Dozent an der Universität Newcastle, in einer Erklärung. „Wir haben nicht erwartet, dass Radiojets diese Art von Schaden anrichten. And yet here it is!“
Ein dreifarbiges Bild der Galaxie ESO 428-G14, aufgenommen mit dem James Webb Weltraumteleskop. (Bildnachweis: NASA/ESA/JWST)
Inhaltsübersicht
Entschlüsselung der Geheimnisse eines „lauten“ Schwarzen Lochs
Es wird angenommen, dass alle großen Galaxien zentrale supermassive Schwarze Löcher haben, deren Masse das Millionen- bis Milliardenfache der Sonnenmasse beträgt, aber nicht alle diese Schwarzen Löcher befinden sich in AGNs.
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Nehmen wir zum Beispiel die Milchstraße. Das supermassereiche Schwarze Loch Sagittarius A* (Sgr A*) in unserer Galaxie ist von so wenig Material umgeben, dass seine „Ernährung“ aus Materie der eines Menschen entspricht, der sich alle Millionen Jahre von einem Reiskorn ernährt. Das macht Sgr A*, das eine Masse von etwa 4,3 Millionen Sonnen hat, zu einem „ruhigen“ Schwarzen Loch, aber es hat einige laute Nachbarn.
Nehmen wir das supermassereiche schwarze Loch im Herzen der Galaxie Messier 87 (M87), die etwa 55 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Dieses Schwarze Loch M87* ist nicht nur wesentlich massereicher als Sgr A*, mit einer Masse von etwa 6,5 Milliarden Sonnen, sondern es ist auch von einer riesigen Menge Gas und Staub umgeben, von der es sich ernährt.
Diese Materie kann nicht einfach direkt auf M87* fallen, da sie einen Drehimpuls mit sich führt. Das bedeutet, dass sie eine wirbelnde, abgeflachte Gas- und Staubwolke um das supermassive Schwarze Loch bildet, die als „Akkretionsscheibe“ bezeichnet wird und das Loch nach und nach ernährt.
Eine Illustration zeigt ein supermassereiches Schwarzes Loch im Herzen einer Akkretionsscheibe. (Bildnachweis: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images)
Supermassive Schwarze Löcher sitzen nicht nur passiv in Akkretionsscheiben und warten darauf, gefüttert zu werden wie ein kosmisches Baby in einem Hochstuhl. Der immense Gravitationseinfluss dieser kosmischen Titanen erzeugt gewaltige Gezeitenkräfte in der Akkretionsscheibe, die diese auf Temperaturen von bis zu 18 Millionen Grad Fahrenheit (10 Millionen Grad Celsius) aufheizen.
Dies führt dazu, dass die Akkretionsscheibe hell leuchtet und einen Teil der Beleuchtung des AGN antreibt. Der immense Gravitationseinfluss dieser kosmischen Titanen erzeugt gewaltige Gezeitenkräfte in der Akkretionsscheibe, die diese auf Temperaturen von bis zu 18 Millionen Grad Fahrenheit (10 Millionen Grad Celsius) aufheizen.
Aber das ist noch nicht alles.
Wie bei einem ungezogenen Kleinkind wandert nicht die gesamte „Nahrung“ eines supermassiven Schwarzen Lochs in seinen „Mund“. Starke Magnetfelder lenken einen Teil der Materie in Akkretionsscheiben zu den Polen des Schwarzen Lochs und beschleunigen dabei die geladenen Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Das ist so, als ob Ihr Kind sein Essen nach Ihnen wirft.
Von den beiden Polen des Schwarzen Lochs bricht diese Materie in Form von parallelen astrophysikalischen Jets nach außen aus. Diese Jets werden auch von der Emission von Licht im gesamten elektromagnetischen Spektrum begleitet, besonders stark bei Radiowellen.
Als Ergebnis dieser Beiträge können AGNs so hell sein, dass sie das Licht aller Sterne in der sie umgebenden Galaxie überstrahlen.
Ein Diagramm, das die Auswirkungen von durch Strahlen erhitztem Staub (rechts) und von durch Strahlungsfelder erhitztem Staub zeigt (Bildnachweis: Newcastle University)
Der Staub, der AGNs umgibt, kann oft unsere Sicht auf ihre Herzen blockieren, indem er sichtbares Licht und andere Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung absorbiert. Infrarotlicht kann diesem Staub jedoch den Garaus machen, und praktischerweise sieht das JWST den Kosmos im Infrarotbereich. Das bedeutet, dass das leistungsstarke Weltraumteleskop das perfekte Werkzeug ist, um in das Zentrum von AGNs zu blicken. Als das GATO-Team dies für ESO 428-G14 tat, fanden sie heraus, dass sich der Staub in der Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs entlang seines Jets ausbreitet. Dabei zeigte sich eine unerwartete Beziehung zwischen den Jets und dem Staub, was darauf hindeutet, dass diese starken Ausströmungen sowohl für die Erwärmung als auch für die Formung des Staubs verantwortlich sein könnten.
Die weitere Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Jets und Staub um supermassive schwarze Löcher könnte Aufschluss darüber geben, welchen Einfluss diese kosmischen Titanen auf die Formung ihrer Galaxien haben und wie Material in AGNs recycelt wird.
„Die Möglichkeit, mit exklusiven JWST-Daten zu arbeiten und vor allen anderen Zugang zu diesen atemberaubenden Bildern zu erhalten, ist mehr als aufregend“, sagte Houda Haidar, Doktorandin an der School of Mathematics, Statistics and Physics der Universität Newcastle. „Ich fühle mich unglaublich glücklich, Teil des GATOS-Teams zu sein. Es ist wirklich ein Privileg, eng mit führenden Experten auf diesem Gebiet zusammenzuarbeiten.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.
